北洺河铁矿自然风压计算及通风系统优化措施

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2024年5月19日发(作者：)

Seriai

No

；

710

A

u

/

u

U.

2220

现代矿业

MODERN

MINING

总第

616

期

2222

年

8

月第

8

期

北洛河铁矿自然风压计算及通风系统优化措施

周超群

1

王荣军

1

崔杰

1

鲁智勇

2

(1

.五矿邯邢矿业有限公司北

河铁矿;

2.

中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司

；

3

.金属矿山安全与健康国家重点实验室;

4

.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司)

摘

要

为研究自然风压对北

河铁矿通风系统的影响

，

采用理论分析与三维通风网络解算软

件模拟的方法

，

分别计算了该矿冬季与夏季进风井筒与回风井筒之间的自然风压

，

并对计算结果进行

分析与预测

。

研究结果表明

，

冬季与夏季北

？

河铁矿进风井筒与东风井之间自然风压作用方向相反

，

冬季自然风压有利于矿井通风

，

夏季自然风压不利于矿井通风

。

在夏季通风困难时期

,

回风主扇运行

，

，

周伟

，

，

吴冷峻

，

，

22

频率提高至

45

Hz,

矿井总风量达

158

m

4

/s,

能满足矿山安全生产的总风量设计要求

，

有效提高井下

生产效率

，

对工程实践有一定的指导意义

。

关键词

通风系统自然风压主扇频率

DOI

：

12.

3999/(.

issn.

4746282.

2020.68.

655

Optimization

Measures

oO

Veatilation

System

and

Naturai

Wind

Pressure

Calcalation

in

Beiminghe

Iron

Mine

Z/n

Chvquo

8

Wan.

R

oh

/

uo

0

C

up

Jie

0

Lu

Zhiyonu

2

'

5

'

h

Z/n

Wet

2

^

3

^

h

Wu

Len/uo

2

^

3

^

h

(1.

BPmine/e

Iron

Miee

,

Minmetats

Haexine

Mininn

Co.

；

Lth.

;2.

Sieosteel

Maansha.

Generat

Institute

of

Mininn

Research

Co

；

；

Lth

；

;3.

State

Key

Lanoratorf

of

Safet/

an.

Health

U

p

MetaI

;4.

Hudwei

NationaI

Ennieeerinn

Centev

of

High

Efficient

Cyclic

an.

Utilization

of

Metallic

MieeraI Resonrces

Co.

；

Lth.

)

Abstraca

In

orVec

to

stuUy

the

inUuence

of

naturai

win.

pressure

on

the

ventilation

system

of

BPm

・

innhe

Iron

Mine

,

the

naturai

wind

pressure

betaeen

the

intane

an.

retura

aic

shafts

in

wintec

an.

summec

is

colchlaten

by

theoreticoI analysis

an.

3D

ventilation

netaork

solution

softaaro

simulation,

min

the

colchlaten

results

are

analyzef

an.

preficteP.

TFie

results

show

that

the

direction

of

the

naturai

win.

pressure

betaeen

the

inlet

shaU

an.

the

east

dir

sUat

in

wintec

an.

summec

is

opposite

,

the

naturai

wind

pressure

in

wintec

is

benefciaI

to

mine

ventilation

,

whiIe

the

naturai

win.

pressure

in

summec

is

not

connucive

to

mine

ventila

­

tion.

DuVne

the

diPichtt

ventilation

peVof

in

summec,

the

operation

Uequence

of

the

retura

U

t

main

fan

is

：

皿

00$1

to

45

Hz

,

and

the

totat

atc

volume

cf

the

mine

is

up

to

158

m

4

/

s

,

w/ice

con

meet

the

design

re

­

quirements

of

the

totat

U

s

volume

of

the

saff

proPuction

of

the

mine

,

PUctivety

improve

the

unneraronn.

profuction

efUcience

,

an.

/ave

ceVin

/uidine

sianificence

foc

the

eneineevne

practice.

Keaworat

Ventilation

system

,

Naturat

win.

pressure

,

Main

fan

fvqupcy

自然风压是由于各井筒中空气温度的差异和井

作环境

，

确保矿井安全生产

，

又可大大地减少通风资

金投入

、

节能环保;另一方面

，

在矿井通风过程中

，

由

口的标高差

，

以及能影响空气重率变化的其它因素所

造成各井筒空气柱质量不等而产生的压差

，

是造成井

于自然风压的影响

，

往往会使矿井或局部井巷出现无

风

、

微风

，

甚至风流反向的现象,给矿井安全生产带来

严重的威胁⑶

。

北洛河铁矿通风系统采用副井

、

西

风井进风

，

东风井回风的多级机站通风系统

，

由于矿

下空气连续流动的动力之一卩

2

。

自然风压是一种不

稳定的动力源

，

所以不能作为矿井通风系统的主要动

力

。

因此

，

需对自然风压加以利用

，

从而趋利避害

。

一方面

,

当自然风压对矿井机械通风有利时

,

应充分

合理利用自然风压进行矿井通风

，

既可改善井下的工

周超群

(1034

—

)

，

男

，

工程师

,956349

河北省邯郸市武安市

。

区所处位置冬季与夏季气温差较大

，

使该矿冬夏两季

自然风压变化较为明显,导致夏季矿山总风量低于设

计值

。

因此

，

掌握该矿自然风压的变化规律,对自然

风压进行准确计算和预测

，

采取必要措施解决自然风

141

总第

612

期

现代矿业

2022

年

8

月第

8

期

压导致的矿井总风量不足的问题

，

是保证该矿安全生

产的重点研究内容

。

的空气密度差越大

，

标高差越高

，

产生的自然风压越

大心

。

0

自然风压理论分析

n

自然风压形成原理

为了更直观地分析自然风压形成过程

,

建立一个

简化的矿井通风模型

，

见图

1

。

图

1

中

2~1

段为地

2

工程概况

北

？

河铁矿位于河北省武安市

，

属于接触交代矽

卡岩型矿床

，

该矿一期

-112

m

水平以上均已开采结

束

，

目前二期开采

-112

~

-232

m

中段矿体,设计生

产规模为

220

万

t/a,

服务年限为

12

ao

矿山采用竖

井开拓方式,主要开拓工程有主井

、

副井

、

西风井以及

东风井。

由于二期开采矿体厚度大

，

所以矿山采矿方

表空气柱

2

~2

段为进风井筒

,2

~5

段为平巷(假设

平巷中各点空气密度相等

),3-5

段为回风井筒

。在

冬季时

，

由于地表气温比井下气温低

，

所以

2

~2

段空

气柱平均温度低于

5

~

7

段空气柱平均温度

,

导致

2

法为无底柱分段崩落法

，

阶段高度为

120

m,

分段高

度为

19

m

,

进路间距为

18

m

o

矿山采用连续工作制

~2

段空气柱平均密度大于

3

~5

段空气柱平均密

度

，

从而

2

~2

段空气柱总压强大于

3

~5

段空气柱总

压强

，

因此

，

该自然风压在通风系统中起动力作用

，

促

使风流从进风井筒进入矿井

。

在夏季时

，

由于地表气

温比井下气温高

，

所以

2

~2

段空气柱平均温度高于

~5

段空气柱平均温度

，

最终产生与冬季方向相反

的自然风压

，

该自然风压在通风系统中起阻力作用

，

阻碍风流从进风井筒进入矿井

。

图

0

矿井通风模型

02

自然风压的计算方法

根据上述分析

，

矿井自然风压产生的根本原因是

2

~2

段空气柱总压强与

5

~5

段空气柱总压强不相

同

，

则矿井自然风压的计算公式为

严

9

A

皿

严

弘订心血+

刖"

民

，

⑴

式中,为自然风压

,Pa

；

9

为地表空气柱高度,

m

;

9

为进风井筒垂直长度

,m

;

9

为回风井筒垂直长度,

m

S

m

、

、

分别为

m

点

、

g

点

、

z

点处的空气密度

，

ke/m

9

；g

为该地区的重力加速度

,ms

2

。

由于各点的空气密度受多种因素影响

，

导致各点

的空气密度不同

，

因此

，

要精确计算出矿井自然风压

比较困难

。

为了简化计算

2~1

段

J

~2

段

、

3~5

段

空气柱中各点的密度分别用各段空气柱的平均密度

P3

、

8

2

、

8

7

来表示

，

则式

(1

)

可简化为

=

Plg

g

9

+

Plg

9

0

-

p

3

g

9

9

,

(2

)

式中

2

3

、

2

、

83

分别为

2

〜

1

段

、

~2

段

、

3

~5

段空气

柱的标高差,

m

。

根据式

(2

)

可知

，

自然风压主要由进

、

回风井标

高差及各井筒的空气密度差决定

，

当进

、

回风井之间

122

度,年工作天数为

339

d,

每天

3

班

，

每班

8

h

。

该矿采用矿体两翼进风

、

中间矿体下盘回风的通

风方式

，

副井

、

西风井进风

、

东风井回风的多级机站通

风系统

。

I

级进风机站设置在

-

239

m

中段

，

为

-239

m

东部进风机站与

-232

m

西部进风机站

，

每

个进风机站均并联安装

2

台

K44

-2-Nol5(99

kW

)

型

风机；

n

级机站设置在各水平进风井联巷

，皿级机站

设置在各水平回风井联巷，

n

、

皿级机站辅扇风机采

用无风墙形式安装

；

W

级回风机站设置在

-57

m

水

平主回风联巷

，

并联安装

2

台

DK44

-8-N

q

26(2

x

155

kW)

型对旋风机

。

为保证通风系统安全可靠并且方

便风机管理

，

矿山对井下

I

级进风机站和

W

级回风机

站的风机采用了远程监控监测技术

。

根据通风系统

总风量计算结果

，

北

河铁矿矿井总风量为

180

m

9

/)

。

由于矿区冬季与夏季气温变化较大

，

所以自然

风压对矿山通风影响较为突出

。

因此,准确计算该矿

的自然风压

，并根据计算结果对矿山通风系统进行优

化和完善

，

及时调整风机运行参数

，

以实现在确保矿

山通风安全的同时

，

有效降低通风能耗

，

减少通风费

用的目标

。

3

自然风压的计算与分析

3.3

自然风压的计算

北

？

河铁矿通风系统简化图见图

2

o

新鲜风从

西风井与副井同时进入井下

,

经过作业面后污风通过

东风井排至地表

。在冬季，

进风井筒与回风井筒之间

形成的自然风压方向与风机风压作用方向相同

，

有利

于矿井通风

,

矿山井下通风状况良好

;

在夏季

,

进风井

筒与回风井筒之间形成的自然风压方向与风机风压

作用方向相反

，

导致矿山总风量减小,井下通风效果

变差

，

作业面温度较高

。

各井筒的主要技术参数见

表

1

。

表

0

各井筒参数

m

井筒

井口标咼井底标咼

井筒垂直深度

副井

2849

-239

.

9

5149

西风井

29295

-239

.

9

52295

东风井

2769

-29

9

5

69

周超群

王荣军等

：

北

？

河铁矿自然风压计算及通风系统优化措施

2222

年

8

月第

8

期

3.1.2

西风井与东风井之间自然风压计算

根据上述计算方法可得西风井与东风井之间自

然风压计算结果

。

夏季自然风压为

-59.26

Pa,

冬季

自然风压为

255.

60

Pa

,

冬

、

夏季自然风压差为

34.

44

Pa

。

3.2

自然风压对通风系统的影响

根据计算结果

，

北

？

河铁矿冬季自然风压方向与

夏季自然风压方向相反,冬季自然风压起动力作用,

查阅矿山气象资料并对照湿空气温度与饱和水

造成矿山冬季通风容易而夏季通风较为困难

。

该矿

蒸气绝对分压关系表可知

，

矿山各时期井筒湿空气平

夏季与冬季通风系统总阻力之差可近似等于进风井

筒与东风井之间冬季自然风压与夏季自然风压差值

均温度

t

与饱和水蒸气绝对分压

P

值如下

：

(1)

地表平均温度

，

夏季时

3=33

^,

P

S

=5.013

kPa

；

冬季时

,3=

-4

°C

,代

=0.436

kPa

。

(2)

进风井筒平均温度,夏季时

,

=27.

5

C,

P

=

3.562

kPa

；

冬季时

,

=12

C

,P

S

=1.399

kPa

。

(3

)

东风井年平均温度

,

=25

C,

P

=0.

160

kPa

。

3.1.1

副井与东风井之间自然风压计算

湿空气绝对静压计算公式为

P

=

161

395

x

(

1

-

1

56

1

000

x

幷

,

(

3

)

式中,

P

为湿空气绝对静压

,kPa

；

Z

为计算井筒井口

地表标高,

m

。

计算得到副井井口湿空气绝对静压

P

]b

=98.

4

kPa,

东风井口湿空气绝对静压

P

/

b

=99.10

kPa,

地表

湿空气绝对静压

P

b=

2-0x(P

]b

+P

hb

)

=99.16

kPa

。

湿空气平均密度计算公式为

.

377

9

*

P

0

.

4

54

x

P-

0

t

+

274.

36

(

4

)

式中,

P

为湿空气平均密度

,

k/m

5

；

P

为湿空气绝对

静压,

kPa

；

＜p

为湿空气相对湿度

，

取

60%

；

为湿空气

温度

,C

；

P

S

为湿空气中饱和水蒸气绝对分压

,2Pa

。

计算得到地表夏季湿空气平均密度

Pb

=

4

4

k/m

5

,

地表冬季湿空气平均密度

p

bd

=

1.

07

kg/m

5

,

副井井筒夏季湿空气平均密度

P

=4

4

k/m

5

,

副井

井筒冬季湿空气平均密度

P

b

=1

-

4

k/m

5

,

东风井

井筒湿空气平均密度

P/

=1.4

kg/m

5

。

副井与东风井之间自然风压计算公式如下。

(4

夏季自然风压为

H

”

1

=

[p

x

Z

-p/

x

Z

。

-pbx

x

(召

-

Z

。

)]

x

g

.

(

5

)

计算得出

H

”

/

=-55.58

Pa

(2)

冬季自然风压为

=

[p

x

Z

-

Ph

x

Z

h

-Pbd

x

(

Z

-

Z

h

)

]

x

g

-

(

6

)

计算得出

H

i

=274.39

Pa

(3)

冬

、

夏季自然风压差为

395.04

Pa

。

取上述计算结果较大值

395

.

94

Pa

作为该矿夏季与

冬季通风系统总阻力增量

。

受自然风压影响

,

该矿冬夏两季矿井总风量变化

较大

。

矿山

-57

m

水平回风机站

2

台风机运行频率

均为

40

Hz,

根据矿井总风量检测数据

，

该矿冬季通

风系统总风量为

45

m

5

/s,

在该工况点下

，

-50

m

水

平回风机站主扇并联运行特性曲线见图

0o

可知

，

当

矿山通风系统总阻力增加

395.04

Pa

时

，

回风主扇运

行工况点将向风机特性曲线左侧偏移

，

可得北

？

河铁

矿夏季通风系统总风量为

42

m

5

/s,

不满足设计总风

量

49m

0

/s

要求

。

因此

，

需要采取优化措施

，

消除夏

季自然风压对通风系统进风的影响，

保证矿井总风量

满足设计要求

。

H=3

风机夏季工况点

178

Pa,

0=172

m

3

/s

3

750

3

000

/

、

/

H=2

852

Pa,

0=195

m7s

忠

e

2

250

1500

750

130

160

190

220

250

280

Q!

(m

3

/s)

图

3

回风主扇

43

Hz

并联运行特性曲线

4

通风系统优化措施

依据上述自然风压对矿井总风量的影响,结合矿

山的实际情况,提出夏季通风系统优化的具体措施:

(4

优化矿井通风网络参数

，

对主要回风线路上

杂物进行清理

，

减小通风系统总阻力

。

(2)

对回风机站加强管理

，

减小风机漏风率以及

回风机站循环风量

。

(3)

在夏季通风困难时期

，

适当提高回风主扇的

运行频率或者叶片安装角度

,

提高矿井总风量

。

根据井下开采条件,对北

河铁矿各种类型井巷

规格及典型巷道的通风阻力等进行了调查与数据整

理,建立了井巷风阻参数

、

网络节点分支原始数据

、风

机参数

、

机站参数等通风网络数据库

。

运用

Ventsim

三维通风网络解算软件建立矿井通(下转第

200

页)

160

总第

616

期

现代矿业

2020

年

8

月第

8

期

域有所抬高

,

导致安全系数降低

,

同正常工况相比

,

降

参考文献

雨入渗引起排土场边坡安全系数降低

0.

9%

,

此时边

坡出于欠稳定状态

。

(4

)

当前排土场边坡处于一台阶阶段

，

为最不利

阶段;虽然整体呈现稳定状态,但应充分利用气象资

料,加强排土场区域降雨的监测和预报，

尤其是雨季

的水位变化和坡内变形监测

，

做好坡面排水工作

，

必

要时进行削坡减载

、

填方压脚

。

(5)

排土场边坡整体处于稳定状态

，

随着后期堆

排

,

处于动态加载的过程

,

稳定性逐步提高

，

但应调整

好排土场台阶发展的空间关系,通过控制排弃强度

，

保证排土场稳定

。

汪海滨

，

李小春•黄土地基排土场滑坡演化机制研究

[

J

].

岩土

力学

,2011(12

)

；

3672-5675•

[2

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S

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,294.

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2009(0

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50421

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场设计标准

[S

].

北京

：

中国计划出版社

,2011.

[1]

(

收稿日期

2020-70-71

)

(上接第

40

页)风系统模型

，

见图

4

；

输入上述各通

风网络参数

,

得到回风主扇运行频率提高前后夏季矿

5

结

论

(1

)

自然风压的计算是通风系统设计中一项重

要内容

，

在矿山冬夏两季气温变化较大以及各井筒标

井通风系统风量分配对比

,

见表

0

。

高差较大时

，

自然风压的影响尤为明显

。

(0)

北

？

河铁矿进风井筒与东风井之间冬季自

然风压与风机作用方向相同

，

有利于矿井通风;夏季

自然风压与风机作用方向相反

，

不利于矿井通风

，

两

者差值最大为

325.94

Pa

o

图

4

北

洛

河铁矿通风网络模型

表

2

矿井通风系统风量分配对比

回风主扇运行

频率

/Hz

40

47

(

3

根据自然风压的特点对矿井通风系统进行

调节,在冬季通风容易时期

，

保持回风主扇运行频率

进风量

/

(

m

0

/s

)

回风量

/(m

0

/s

)

为

40

Hz

；

在夏季通风困难时期

，

回风机站风机运行

频率提高至

47

Hz,

可在保证安全生产的前提下实现

节能减排

。

参考文献

西风井

21352

副井

104.75

113.45

主井

45.

04

52305

回风井

44.50

lm

40

.

4

根据表

0

可知

，

提高

-50

m

水平回风机站风机

运行频率至

47

Hz,

该矿夏季通风系统总风量为

48

m

5

/s,

满足设计总风量

159

m

5

/s

要求

，

此时

，

风机并

联运行特性曲线见图

3

o

/

风机夏季工况点

3

750

3

000

§

2

250

H=3

558

Pa,

2=188

m

3

/s

H=3

232

Pa,

0=217

m

3

/s

况点

1500

750

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,2016

(11

)

：

430-430.

[1]

130

160

190

220

250

280

Q!

(m

3

/s)

(收稿日期

2020-70-70

)

图

5

回风主扇

47Hz

并联运行特性曲线

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本文标签： 通风风压矿井系统井筒